Al meer dan 400 jaar hebben zowel professionele als amateurastronomen een bijzondere interesse in het observeren van Mira-sterren, een klasse van variabele rode reuzen die bekend staan om pulsaties die 80-1.000 dagen aanhouden en hun schijnbare helderheid met een factor van tien keer doen variëren of meer tijdens een cyclus.
Een internationaal team van astronomen onder leiding van Guy Perrin van de Paris Observatory / LESIA (Meudon, Frankrijk) en Stephen Ridgway van de National Optical Astronomy Observatory (Tucson, Arizona, VS) heeft interferometrische technieken gebruikt om de nabije omgeving van vijf Mira-sterren te observeren, en waren verrast toen ze ontdekten dat de sterren omgeven zijn door een bijna transparante schil van waterdamp, en mogelijk koolmonoxide en andere moleculen. Deze schaal geeft de sterren een bedrieglijk grote schijnbare grootte. Door door deze laag te dringen met het gecombineerde licht van verschillende telescopen, ontdekte het team dat Mira-sterren waarschijnlijk slechts half zo groot zijn als voorheen werd aangenomen.
? Deze ontdekking lost knagende inconsistenties op tussen waarnemingen ter grootte van Mira-sterren, en modellen die hun samenstelling en pulsaties beschrijven, waarvan men nu kan zien dat ze over het algemeen met elkaar overeenkomen ,? Ridgway legt uit. ? Het herziene beeld is dat Mira-sterren zeer heldere maar relatief normale sterren van de asymptotische reuzentak zijn, maar ze hebben een resonerende pulsatie die hun grote variabiliteit stimuleert.?
Mira-sterren zijn bijzonder interessant omdat ze qua grootte vergelijkbaar zijn met de zon en ze ondergaan een laat stadium van hetzelfde evolutionaire pad dat alle één-zonnemassa-sterren, inclusief de zon, zullen ervaren. Daarom illustreren deze sterren het lot van onze zon over vijf miljard jaar. Als zo'n ster, inclusief de omringende schil, zich zou bevinden op de positie van de zon in ons zonnestelsel, zou zijn dampvormige schaal zich uitstrekken tot voorbij de baan van Mars.
Hoewel ze echt een zeer grote diameter hebben (tot een paar honderd zonnestralen), lijken rode reuzensterren puntloos op blote menselijke ogen op aarde, en zelfs de grootste telescopen onderscheiden hun oppervlakken niet. Deze uitdaging kan worden overwonnen door signalen van afzonderlijke telescopen te combineren met behulp van een techniek die astronomische interferometrie wordt genoemd en die het mogelijk maakt om zeer kleine details in de nabije omgeving van Mira-sterren te bestuderen. Uiteindelijk kunnen afbeeldingen van de waargenomen sterren worden gereconstrueerd.
Mira-sterren zijn genoemd naar het eerste bekende object, Mira (of Omicron Ceti). Een mogelijke verklaring voor hun significante variabiliteit is dat tijdens elke cyclus grote hoeveelheden materiaal worden geproduceerd, inclusief stof en moleculen. Dit materiaal blokkeert veel van de uitgaande stellaire straling, totdat het materiaal door uitzetting verdund wordt. De nabije omgeving van Mira-sterren is daarom erg complex en de kenmerken van het centrale object zijn moeilijk waar te nemen.
Om de nabije omgeving van deze sterren te bestuderen, heeft het team onder leiding van Perrin en Ridgway observaties uitgevoerd bij de Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) van het Smithsonian Astrophysical Observatory in Arizona. IOTA is een Michelson stellaire interferometer, met twee armen die een L-vormige reeks vormen. Het werkt met drie collectoren die zich op verschillende stations aan elke arm kunnen bevinden. In de huidige studie werden waarnemingen gedaan op verschillende golflengten met verschillende telescoopafstanden van 10 tot 38 meter.
Op basis van deze waarnemingen kon het team de variatie van de sterhelderheid over het oppervlak van elke ster reconstrueren. Details tot ongeveer 10 milli-boogseconden kunnen worden gedetecteerd. Ter vergelijking: op de afstand van de Maan zou dit overeenkomen met het zien van kenmerken tot 20 meter groot.
De waarnemingen zijn gedaan bij nabij-infrarode golflengten die van bijzonder belang zijn voor de studie van waterdamp en koolmonoxide. De rol van deze moleculen werd enkele jaren geleden vermoed door het team en onafhankelijk bevestigd door waarnemingen met de Infrared Space Observatory. De nieuwe waarnemingen met IOTA laten duidelijk zien dat Mira-sterren omgeven zijn door een moleculaire laag waterdamp en, in sommige gevallen, koolmonoxide. Deze laag heeft een temperatuur van ongeveer 2000 K en strekt zich uit tot ongeveer één stellaire straal boven de stellaire fotosfeer, of ongeveer 50 procent van de waargenomen diameter van de Mira-sterren in het monster.
Eerdere interferometrische studies van Mira-sterren leidden tot schattingen van sterdiameters die vertekend waren door de aanwezigheid van de moleculaire laag en dus veel overschat werden. Dit nieuwe resultaat laat zien dat de Mira-sterren ongeveer de helft zo groot zijn als eerder werd aangenomen.
De nieuwe waarnemingen die het team presenteert, worden geïnterpreteerd in het kader van een model dat de kloof tussen waarnemingen en theorie overbrugt. De ruimte tussen het oppervlak van de ster en de moleculaire laag bevat zeer waarschijnlijk gas, zoals een atmosfeer, maar is relatief transparant bij de waargenomen golflengten. Bij zichtbaar licht is de moleculaire laag nogal ondoorzichtig, wat de indruk wekt dat het een oppervlak is, maar in het infrarood is het dun en kan de ster er doorheen worden gezien.
Dit model is de eerste ooit die de structuur van Mira-sterren over een breed spectrum van spectrale golflengten van het zichtbare tot het midden-infrarood verklaart en consistent is met de theoretische eigenschappen van hun pulsatie. De aanwezigheid van de laag moleculen ver boven het stellaire oppervlak is echter nog steeds enigszins mysterieus. De laag is te hoog en dicht om puur door atmosferische druk te worden ondersteund. De pulsaties van de ster spelen waarschijnlijk een rol bij het produceren van de moleculaire laag, maar het mechanisme is nog niet begrepen.
Aangezien Mira-sterren een laat evolutionair stadium van zonachtige sterren vertegenwoordigen, zal het erg interessant zijn om de processen die zich in en om hen heen voordoen beter te omschrijven als een voorafschaduwing van het eigen verwachte lot van de zon in de verre toekomst. Mira-sterren stoten grote hoeveelheden gas en stof de ruimte in, meestal ongeveer een derde van de massa van de aarde per jaar, en leveren daarmee meer dan 75 procent van de moleculen in de melkweg. De koolstof, stikstof, zuurstof en andere elementen waarvan we gemaakt zijn, werden meestal geproduceerd in het binnenste van dergelijke sterren (met zwaardere elementen afkomstig van supernovae), en worden vervolgens via dit massaverlies de ruimte in gestuurd om onderdeel te worden van nieuwe sterren en planeten . De rijpende techniek van interferometrie onthult details van de Mira-atmosfeer, waardoor wetenschappers de productie en uitstoot van moleculen en stof bijna kunnen observeren en begrijpen, aangezien deze sterren hun inhoud op astronomische schaal recyclen.
Het papier? Mira-sterren achter de moleculen onthullen: bevestiging van het moleculaire-laagmodel met smalbandige nabij-infrarood interferometrie ,? door Perrin et al., zal verschijnen in een aankomend nummer van het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Oorspronkelijke bron: NOAO-persbericht
